Tepkime Hızı Nasıl Hesaplanır? Etkileyen Faktörler

Tepkime hızının tanımı ve birimi

Tepkime hızı, bir kimyasal tepkimede giren maddelerin derişiminin azalmasının veya ürünlerin derişiminin artmasının zamana oranıdır. Derişim genellikle mol/L, zaman ise saniye cinsinden kullanıldığı için tepkime hızının yaygın birimi mol L⁻¹ s⁻¹ şeklindedir. Gaz hacmi, kütle ya da pH gibi başka ölçümlerden de zamana bağlı değişim belirlenebilir; ancak hesaplamada bu değişimin derişimle ilişkilendirilmesi gerekir.

Bir tepkime ilerledikçe giren maddelerin miktarı azalır, ürünlerin miktarı artar. Bu değişim ne kadar kısa sürede gerçekleşirse tepkime o kadar hızlıdır. Örneğin bir çözeltide bir girenin derişimi 10 saniyede 0,80 mol/L’den 0,50 mol/L’ye düşüyorsa derişim 0,30 mol/L azalmıştır. Bu değişimin zamana oranı 0,030 mol L⁻¹ s⁻¹ olur ve bu değer giren madde bakımından ortalama tüketim hızını gösterir.

Anlık hız, belirli bir andaki hızı ifade eder; ortalama hız ise seçilen zaman aralığındaki toplam değişimi verir. Anlık ve ortalama hız arasındaki ayrıntılı karşılaştırma ayrı bir konudur.

Ortalama tepkime hızının derişim ve zamanla hesaplanması

Ortalama tepkime hızı, derişimdeki değişimin geçen zamana bölünmesiyle bulunur. Bir girenin derişimi azaldığı için değişimi negatif çıkar; hızın pozitif yazılması istenirse giren madde için eksi işareti kullanılır. Ürünlerde derişim arttığından değişim pozitiftir.

Formüller: Ortalama hız = -Δ[giren madde derişimi] / Δt Ortalama hız = Δ[ürün derişimi] / Δt

Örneğin A maddesinin derişimi 0,60 mol/L’den 0,20 mol/L’ye 20 saniyede düşsün. Derişim değişimi 0,20 - 0,60 = -0,40 mol/L olur. Buna göre A’nın tüketilme hızı: Ortalama hız = -(-0,40 mol/L) / 20 s = 0,020 mol L⁻¹ s⁻¹

Sonuçları yorumlarken başlangıç ve son derişimin hangi maddeye ait olduğu, zaman aralığının birimi ve giren madde kullanılıyorsa negatif işaretin hız hesabında düzeltilmesi kontrol edilir. Derişim-zaman tablosunda iki ölçüm arasındaki eğim, o aralıktaki ortalama hızı verir. Derişim-zaman grafiğinde eğim mutlak olarak büyüdükçe derişim daha hızlı değişiyor demektir; girenler için eğim negatif, ürünler için pozitiftir.

Bir derişim-zaman grafiğinden hız bulmak için seçilen iki noktaya ait derişim ve zaman değerleri okunur, derişim farkı zaman farkına bölünür. Örneğin grafikte bir ürünün derişimi 5. saniyede 0,10 mol/L, 15. saniyede 0,30 mol/L ise ortalama oluşum hızı (0,30 - 0,10) / (15 - 5) = 0,020 mol L⁻¹ s⁻¹ olur. Farklı zaman aralıklarında bulunan hızların karşılaştırılması, tepkimenin zamanla hızlanıp yavaşladığı hakkında veri sağlar.

Tepkime katsayıları ile türlerin hızlarının ilişkilendirilmesi

Aynı tepkimede maddeler, denkleştirilmiş tepkime denklemindeki katsayılarıyla belirlenen oranlarda tüketilir veya oluşur. Bu nedenle katsayılar farklıysa maddelerin derişim değişim hızları da aynı sayısal değerde olmayabilir. Tepkimenin ortak hızını bulmak için her türün derişim değişim hızı, o türün katsayısına bölünür; girenlerde negatif işaret kullanılır.

Genel olarak aA + bB → cC + dD tepkimesi için: Tepkime hızı = -(1/a) Δ[A]/Δt = -(1/b) Δ[B]/Δt = (1/c) Δ[C]/Δt = (1/d) Δ[D]/Δt

Örneğin 2A + B → 3C tepkimesinde A’nın tüketilme hızı 0,060 mol L⁻¹ s⁻¹ ise ortak tepkime hızı 0,060 / 2 = 0,030 mol L⁻¹ s⁻¹ olur. Buna göre B’nin tüketilme hızı 0,030 mol L⁻¹ s⁻¹, C’nin oluşma hızı ise 3 × 0,030 = 0,090 mol L⁻¹ s⁻¹ olur. Katsayılar, maddelerin aynı sürede hangi oranlarda değiştiğini gösterir; toplam hız gibi düşünülmemelidir.

Etkili çarpışma ve aktivasyon enerjisi

Taneciklerin birbirine çarpması tek başına kimyasal tepkime için yeterli değildir. Bir çarpışmanın ürün oluşturabilmesi için taneciklerin uygun bir yönelimle karşılaşması ve gerekli en az enerjiye sahip olması gerekir. Ürün oluşmasını başlatmak için gereken bu minimum enerjiye aktivasyon enerjisi denir. Uygun yönelimli ve aktivasyon enerjisini karşılayan çarpışmalara etkili çarpışma adı verilir.

Taneciklerin kinetik enerjileri aktivasyon enerjisine ulaşmadığında bağların yeniden düzenlenmesi gerçekleşmez ve çarpışma tepkimesiz sonuçlanır. Aktivasyon enerjisi ortalama kinetik enerjiye göre çok büyükse yeterli enerjiye sahip taneciklerin oranı azalır, dolayısıyla tepkime yavaşlar. Aktivasyon enerjisi daha düşük olduğunda ise daha fazla çarpışma tepkimeyle sonuçlanabilir. Örneğin gaz hâlindeki tanecikler sürekli çarpışsa da yalnızca yeterli enerjiye ve uygun yönelime sahip olanların ürün oluşturması, bütün çarpışmaların neden tepkimeye dönüşmediğini açıklar.

Aktivasyon enerjisinin enerji-tepkime koordinatı grafiğinde gösterimi yalnızca enerji engelinin başlangıç maddelerinden geçiş durumuna kadar olan yüksekliğini ifade eder. Aktivasyon enerjisi ve hız sabiti arasındaki matematiksel ilişki ile ayrıntılı hesaplamalar farklı bir konudur.

Tepkime hızını etkileyen faktörler

Tepkime hızını değiştiren temel koşullar derişim, sıcaklık, temas yüzeyi ve katalizördür. Bu faktörlerin ortak etkisi, birim zamanda gerçekleşen etkili çarpışmaların sayısını değiştirmeleridir. Bir koşul etkili çarpışma sayısını artırıyorsa tepkime genellikle hızlanır.

Derişim: Aynı hacimdeki bir girenin derişimi artırıldığında birim hacimde daha fazla tanecik bulunur. Böylece taneciklerin karşılaşma olasılığı ve birim zamanda gerçekleşebilecek çarpışmalar artar. Örneğin bir gazın aynı hacimde daha derişik hâle getirilmesi, tepkimeye girebilecek taneciklerin sayısını artırarak hızı yükseltebilir. Ancak derişim ile hız arasındaki kesin matematiksel bağıntı her tepkime için ayrıca belirlenir.

Sıcaklık: Sıcaklık yükseldiğinde taneciklerin ortalama kinetik enerjisi artar. Daha fazla tanecik aktivasyon enerjisini aşabilecek enerjiye ulaşır; bu nedenle etkili çarpışmaların oranı büyür ve tepkime hızlanır. Örneğin aynı tepkime daha sıcak bir ortamda yürütüldüğünde ürünün daha kısa sürede oluşması beklenir. Buradaki temel neden yalnızca çarpışma sayısının değişmesi değil, yeterli enerjiye sahip taneciklerin oranının artmasıdır.

Temas yüzeyi: Farklı fazdaki maddelerin tepkimesinde temas eden yüzey büyüdükçe karşılaşma için daha fazla alan oluşur. Katı bir maddeyi küçük parçalara ayırmak veya toz hâline getirmek, aynı miktardaki maddenin daha geniş bir yüzeyinin diğer maddeyle temas etmesini sağlar. Bu yüzden katı-sıvı tepkimesinde toz hâlindeki katı, aynı katının büyük bir parçasına göre genellikle daha hızlı tepkime verir.

Katalizör: Katalizör, tepkimeyi hızlandıran ve tepkime sonunda tüketilmeyen maddedir. Bunu, aktivasyon enerjisi daha düşük alternatif bir tepkime yolu sağlayarak yapar; böylece aynı sıcaklıkta daha fazla çarpışma ürün oluşturabilir. Katalizör tepkimenin hangi ürünlere dönüşeceğini bu kapsamda değiştiren bir madde olarak değil, sürecin gerçekleşme yolunu kolaylaştıran bir etken olarak düşünülmelidir. Hidrojen peroksit çözeltisinin açık yarada daha hızlı köpürmesinde dokulardaki maddelerin katalizör gibi davranması buna örnektir; şişedeki çözeltinin ayrışması ise katalizör bulunmadığında çok daha yavaş gerçekleşebilir.

Tepkime hızının deneysel olarak izlenmesi

Tepkime sırasında gaz oluşuyorsa belirli zamanlarda gaz hacmi, katı veya sıvı miktarı değişiyorsa kütle, renk değişiyorsa renk şiddeti ya da pH ölçülebilir. Bu ölçümlerin zamana karşı kaydedilmesiyle değişim miktarı-zaman oranından tepkime hızı belirlenir.